Stabilita e collasso delle schiume

Una schiuma è un’emulsione «al contrario»: gas disperso in un liquido, separato in bolle da pellicole sottilissime. La sua vita è un equilibrio precario fra le forze che drenano il liquido dai film e quelle che lo trattengono. Capire il drenaggio, i bordi di Plateau e la maturazione spiega perché una schiuma dura minuti o ore — e perché alla fine collassa sempre.

Vediamo che cos’è una schiuma, come il liquido drena dai film, che cosa sono i bordi di Plateau, perché le bolle maturano e come si stabilizza o si distrugge una schiuma.

Che cos’è una schiuma

Una schiuma è una dispersione di gas in un liquido (o in un solido): le bolle di gas sono la fase dispersa, il liquido la fase continua, ridotta a pellicole sottili che separano bolle adiacenti. Come le emulsioni, le schiume sono termodinamicamente instabili: hanno un’enorme superficie gas-liquido ad alta energia e tendono spontaneamente a ridurla collassando. Sopravvivono solo grazie a tensioattivi o altre specie che si adsorbono all’interfaccia e ne rallentano la distruzione.

Il drenaggio del film

Il primo nemico di una schiuma è il drenaggio: per gravità, il liquido scola verso il basso attraverso i film e i canali, che si assottigliano progressivamente. Quando un film diventa troppo sottile diventa fragile e si rompe, facendo coalescere due bolle. Il drenaggio è tanto più rapido quanto più il liquido è poco viscoso: aumentare la viscosità della fase liquida è perciò una delle vie principali per rallentarlo e prolungare la vita della schiuma.

I bordi di Plateau

La geometria di una schiuma non è casuale. Dove tre film liquidi si incontrano si formano canali a sezione concava chiamati bordi di Plateau; questi si raccordano sempre a tre a tre con angoli di circa 120°, in quattro alla volta nei vertici, secondo regole geometriche precise che minimizzano l’area totale. I bordi di Plateau sono il «sistema idraulico» della schiuma: la loro curvatura genera, per la legge di Laplace, una pressione più bassa che risucchia il liquido dai film piani verso i bordi. Questo aspira liquido fuori dai film, assottigliandoli e favorendone la rottura: il drenaggio passa in gran parte proprio attraverso i bordi di Plateau.

Δp = 2 γr  (legge di Laplace: bolle piccole → pressione interna maggiore)

La pressione di disgiunzione

Ad opporsi all’assottigliamento dei film c’è la pressione di disgiunzione: quando un film diventa abbastanza sottile, le due superfici «sentono» la reciproca presenza tramite repulsioni elettrostatiche (doppie falde sovrapposte) e steriche, che tendono a tenerle separate e a stabilizzare il film a uno spessore di equilibrio. È il corrispettivo, per i film liquidi, delle forze DLVO che stabilizzano i colloidi. Una pressione di disgiunzione forte e repulsiva è ciò che rende un film stabile; se è debole o attrattiva, il film si rompe in fretta.

La maturazione delle bolle

Anche senza che i film si rompano, una schiuma invecchia. Le bolle piccole hanno una pressione interna maggiore di quelle grandi (legge di Laplace): il gas diffonde allora attraverso i film sottili dalle bolle piccole, ad alta pressione, verso le grandi. Le bolle piccole si restringono e scompaiono, le grandi crescono: è la maturazione (l’analogo gassoso della maturazione di Ostwald nelle emulsioni). La schiuma diventa progressivamente a celle più grandi e a pareti più sottili, dunque più fragile, fino al collasso.

Stabilizzare o distruggere

Per stabilizzare una schiuma si rallentano questi processi: tensioattivi che danno film elastici (l’effetto Marangoni «ripara» localmente i punti assottigliati richiamando tensioattivo e liquido), addensanti che frenano il drenaggio, particelle che irrigidiscono i film (schiume di Pickering), gas poco solubili che rallentano la maturazione. Per distruggerla si fa il contrario, con antischiuma: gocce o particelle idrofobe che destabilizzano i film inserendosi al loro interno e provocandone la rottura a catena. Il tema specifico delle schiume e degli antischiuma è approfondito nel relativo articolo del cluster.

Perché conta nella pratica

Le schiume sono ovunque: detergenti, alimenti (panna, birra, mousse), schiume antincendio, flottazione dei minerali, materiali isolanti. In alcuni casi servono stabili e durature, in altri sono un fastidio da eliminare in fretta — nei reattori, nelle colonne, nei processi di lavorazione. Capire drenaggio, bordi di Plateau e maturazione permette di progettare una schiuma che duri quanto serve, o di scegliere l’antischiuma giusto per abbatterla. È lo stesso bagaglio di fisica delle interfacce che governa le emulsioni, applicato a un sistema gas-liquido.

Domande frequenti

Perché una schiuma alla fine collassa sempre?

Perché è termodinamicamente instabile: ha un’enorme superficie gas-liquido ad alta energia che il sistema tende a ridurre. Il liquido drena dai film per gravità e per il risucchio dei bordi di Plateau, i film si assottigliano e si rompono, e le bolle maturano (le grandi crescono a spese delle piccole). Tutti questi processi portano, prima o poi, alla coalescenza delle bolle e al collasso.

Che cosa sono i bordi di Plateau?

Sono i canali liquidi a sezione concava che si formano dove tre film di una schiuma si incontrano, raccordandosi sempre con angoli di circa 120°. La loro curvatura abbassa localmente la pressione secondo la legge di Laplace e richiama il liquido dai film piani: sono il sistema idraulico attraverso cui avviene gran parte del drenaggio della schiuma.

Come si rallenta il drenaggio di una schiuma?

Soprattutto aumentando la viscosità della fase liquida, così il liquido scola più lentamente attraverso film e bordi di Plateau. Aiutano anche tensioattivi che conferiscono film elastici (effetto Marangoni), particelle che irrigidiscono i film e una forte pressione di disgiunzione repulsiva che tiene i film a uno spessore stabile. Una schiuma «secca» e ben drenata è più vicina alla rottura.

Che cos’è la maturazione delle bolle?

È il fenomeno per cui le bolle grandi crescono a spese delle piccole. Poiché le bolle piccole hanno pressione interna maggiore (legge di Laplace), il gas diffonde attraverso i film dalle piccole verso le grandi: le piccole spariscono e le grandi si ingrandiscono. La schiuma diventa a celle più grandi e a pareti più sottili, dunque più fragile. È l’analogo gassoso della maturazione di Ostwald.

Come funziona un antischiuma?

Un antischiuma è di norma una sostanza idrofoba (oli siliconici, particelle) che si inserisce nei film liquidi della schiuma e li destabilizza: occupando l’interfaccia spiazza il tensioattivo stabilizzante e provoca la rottura a catena dei film. Basta una piccola quantità per abbattere rapidamente una schiuma indesiderata in reattori, colonne e processi di lavorazione.